Nejlepší důkaz pro mezidobou černou díru

V husté hvězdné hvězdokupě se může skrývat černá díra střední hmotnosti - objev, který by mohl ukazovat na to, jak se tyto zvláštnosti vytvářejí.

Počítačem generovaný obraz černé díry.
Alain Riazuelo

Každý pátek zamíří B lent K z ltan do místní kavárny. Tam se K z ltan (Harvard-Smithsonianovo centrum pro astrofyziku), který je samo popsaným „zvědavým člověkem“, setkává s vědci, umělci a filozofy z různých oborů napříč oblastí Cambridge a Boston . Jeho cílem je intelektuální obohacení.

To je to, jak se jednoho odpoledne ocitl v rozhovoru s kognitivním vědcem, který ho představil matematickému nástroji zvanému Kullbackova Leiblerova divergence. Tento nástroj, původně vyvinutý dvěma matematiky a kryptoanalytiky v Národní bezpečnostní agentuře v 50. letech, se pokouší extrahovat informace z neúplných dat.

Možná to byly povzbuzující účinky čerstvě uvařeného šálku joe, ale K z ltan si rychle uvědomil, že tento nástroj lze také použít při pozorování hustého hvězdného klastru - chaotického prostředí chockfull stovek tisíců hvězd kde je střed skrytý z pohledu. Byl to první krok k článku, který byl dnes zveřejněn v časopise Nature a který poskytuje nejlepší důkaz, že kulovitý shluk by mohl skrýt černou díru střední hmotnosti.

„Vážení“ skryté černé díry

Dosud bylo pozorováno jen málo černých děr střední hmotnosti. Skeptici by ve skutečnosti mohli tvrdit, že žádná z těchto černých děr - které teoreticky leží v rozmezí mezi těmi, které jsou jen několikrát hmotností našeho Slunce, a těmi, které váží miliony až miliardykrát Slunce - neexistuje.

Problém je dvojí. Za prvé, neexistuje žádný přímý způsob, jak tyto objekty tvořit. Za druhé, důkaz, že existují, byl přinejlepším nejasný.

Ale s tímto novým matematickým nástrojem v ruce Kızıltan věděl, že dokáže lépe. Zaměřil se na kulovitý shluk 47 Tucanae, který se nachází zhruba 15 000 světelných let v jižní souhvězdí Tucana. Klastr, který se jeví zhruba jako úplněk, je jedním z nejmasivnějších kulových hvězdokup v galaxii s miliony hvězd.

Globální klastr 47 Tucanae je druhý nejjasnější na obloze a obsahuje desítky tisíc hvězd - a možná i černou díru střední hmotnosti.
NASA / ESA / Hubble Heritage (STScI / AURA) / Hubble Collaboration. Poděkování: J. Mack (STScI) a G. Piotto (Univ. Z Padova, Itálie)

Kızıltan a jeho kolegové nejprve postavili realistický model 47 Tucanae, aby tyto hvězdy prozkoumali. Poté změřili umístění 25 pulsarů v celém kulovém shluku. Tyto rychle se otáčející neutronové hvězdy zametají elektromagnetické záření po celé Zemi s každou rotací rychlostí tak spolehlivou, že soupeří s atomovými hodinami. To (plus skutečnost, že vyzařují rádiové vlny, na rozdíl od viditelného světla) umožnilo týmu sáhnout hlouběji do typicky neviditelných hloubek kulovitého shluku.

Zjistili, že pulzary jsou v pohybu. Rychle se točí kolem středu kupy - příliš rychle vzhledem k počtu samotných centrálních hvězd. Pomocí svého nového matematického nástroje porovnal Kızıltan a jeho kolegové podivně rychlé pohyby těchto pulsarů se simulací, aby zjistili, že černá středová hmota, asi 2 200krát větší než Slunce, musí číhat ve středu klastru a ovládat pohyby pulsarů.

Útěky nebo nebezpečné Tangos?

Ale Cole Miller (University of Maryland), který se studie nezúčastnil, si nemyslí, že nové důkazy přesvědčí každého skeptika.

"Většina vědců by chtěla vidět silné důkazy, " říká. "Protože pokud tyto objekty budou existovat, budou mít důsledky pro vznik prvních masivních černých děr." Budou mít dopady na hvězdnou dynamiku. A budou mít dopady na vývoj velmi hmotných hvězd. To vše je hraniční výzkum a vy nechcete být příliš brzy na skokovém voze. “

Hlavním problémem je, že astronomové jsou v rozpacích, aby vysvětlili, jak se mohou tyto černé díry střední hmotnosti vytvořit. Millerova oblíbená hypotéza vede k útěku hvězdných srážek. V podstatě nejtěžší hvězdy klesají do středu kulovitého shluku, kde se s největší pravděpodobností srazí a sloučí s jinými těžkými hvězdami a vytvoří ještě větší hvězdy. A protože gravitační tah hvězdy se zvyšuje s její velikostí a hmotností, zvyšuje se tak i její šance na další hvězdné srážky. Tento efekt sněhové koule, dokud masivní hvězda nespočívá ve středu kulovitého shluku.

Jak se však tato masivní hvězda vyvíjí, není zcela pochopeno, říká Kayhan Gültekin (University of Michigan), který se studie nezúčastnil. „Standardní hvězdná teorie se na tyto objekty nevztahuje. Hodně proměny tohoto sloučeného hvězdného objektu na černou díru je založeno spíše na analogiích s hvězdným vývojem než na podrobných výpočtech toho, jak by se ve skutečnosti vyvinul. “

Koncept umělce ukazuje dvě slučující černé díry.
NASA

Naštěstí konkurenční teorie nemusí vyvolat podivnou astrofyziku. Hvězdy se zde vyvinou v černé díry, které klesají do středu klastru, kde jeden vstupuje na binární oběžnou dráhu s jinou. Díky interakcím s jinými černými dírami se toto duo zmenšuje, dokud se nespojí, čímž se vytvoří mohutnější černá díra. Tato jediná černá díra vybírá jiného společníka a proces začíná znovu, dokud není ve středu globulárního shluku pouze jedna masivní černá díra.

Bohužel existují i ​​problémy s touto teorií. Při interakcích mezi binární černou dírou a třetí černou dírou se energie přenáší do třetí černé díry. A pokud se převede dostatek energie, třetí černá díra by se mohla ze systému vykopat úplně - obrovský problém, když se pokoušíte vytvořit obrovskou černou díru.

Ačkoli existují i ​​jiné teorie, které by mohly vysvětlit, jak vznikají černé díry se střední hmotností, pouze tyto dvě se spoléhají na hustě zabalené prostředí globulární klastru.

"Skutečnost, že tato černá díra existuje v 47 Tucanae, by mohla znamenat, že jedna nebo obě z těchto teorií jsou správné, " říká Gültekin, který doufá, že obě teorie budou ve světle nejnovějšího objevu omlazeny.

Odkaz:
B. Kızıltan a kol. "Černá díra střední hmotnosti ve středu globálního klastru 47 Tucanae." Příroda, 9. února 2017.